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在人的大脑内部,1000亿个神经元彼此相连。
未来人类的大脑也许能被改造和控制,就像在大脑中装了各种开关。
张世忠教授(邱伟荣摄 )
“眼见为实”,但在思维的世界就显得不那么靠谱。你看到过爱或者恨吗?可这些看不到、摸不着的东西却真实存在于我们的感知。然而,随着脑科学的发展,如今我们真的可以看见“思想”,聆听大脑的对话,甚至可以改造大脑,注入思维。脑科学的未来,想到就能做到,意念也许既可在瞬间被兑现,也可顷刻间被载入。日前,一个生动有趣的“大脑展”正在广东科学中心展出,带我们走入一个既熟悉又陌生的大脑秘境。
策划:赵洁
撰文:许珍通讯员吴晶萍
图片:Gettyimages(署名除外)
大脑是一个带电的器官
在“大脑展”展厅入口处的“大脑的奥秘”趣味艺术装置中,你会惊讶地看到自己的大脑是怎样运行的。展示中,模拟神经元的发光小珠子沿着成千上万条路径高速前行,而在大脑内部,1000亿个神经元由细长的臂状物彼此相连,电化学信号也基本以同样的方式,沿着一个复杂的网络移动,实现通讯。尽管大脑信号产生的电压不及普通手电筒电池电压的1/10,但大脑仍是一个带电的器官,这为人类监测大脑的行动提供了条件。如今,科技手段已允许科学家通过影像技术来捕捉大脑中看不见的思维活动。
其实,关于“想法”是否可以“触摸”,从说谎这个简单例子就可见一斑。现代科学证实,人在说谎时生理上的确会发生一些变化,有一些肉眼可以观察到,如出现抓耳挠腮、腿脚抖动等不自然的动作。还有一些生理变化是不易察觉的,如呼吸速率和血容量异常,出现呼吸抑制和屏息;胃收缩,消化液分泌异常,导致嘴、舌、唇干燥;肌肉紧张、颤抖,导致说话结巴……这些生理参量由于受植物神经系统的支配,在外界刺激下会出现一系列条件反射现象。测谎的原理正是由此而来。
如今,对大脑的监测更深入。“大脑展”介绍了捕捉思维活动的一些先进影像技术,例如功能性磁共振成像(fMRI),它利用磁信号测量大脑血流量变化,展现大脑某个特定区域氧耗量的情况;正子断层扫描(PET),利用放射性化学元素追踪脑部代谢活动;脑磁图扫描(MEG)则是通过记录脑磁波,对脑部损伤进行定位诊断。
大脑想什么,电脑全知道
人们常说,“知人知面不知心”。但随着脑科学的发展,“读心术”已经不再是梦想。如今,你可以把电脑连接到大脑上,让神经元和电脑直接进行交流。根据两者间发出和接收电子脉冲,你大脑中在想什么,电脑全知道。
在“大脑展”中,一部名为“聆听大脑的对话”的短片展示了脑机接口研究的最新进展。
这部短片主要介绍了美国纽约州首府奥尔巴尼市瓦兹沃斯中心的科学家们所开发出的复杂的计算机软件,它能对大脑信号进行实时分析。在短片中,癫痫症病人志愿者参与了脑机接口的研究,在实验中,他们只需靠“想”,也就是思维的力量,就可以操纵虚拟手和玩计算机游戏。志愿者躺在床上,对着电脑屏幕,不需动手,仅靠动脑,就可以让屏幕上的虚拟手实现抓握的动作。
另外,更不可思议的是,在另一项实验中,脑机接口系统还能够描绘出志愿者脑海冥想的词语。例如志愿者脑海中想着“dance”(舞蹈)这个单词,另一侧的电脑屏幕上就会根据他的脑电波的振动频率逐个分析字母,而后出现“dance”这个词汇。无需动口,亦无需动手,只需想想,意念即可瞬间实现。
关于此项研究的原理,奥尔巴尼市神经病学家安东尼·瑞塔齐奥解释说,“大脑是一个带电的器官,脑细胞通过电流实现交流。某种非常高频的电流非常微弱,只有在很靠近大脑表面时才能记录到。”当脑细胞正在进行某项特定功能时,它们便以这些高频率电波进行交流、共振或同步。通过在大脑表面进行记录,可以对某一具体功能进行定位。
这些研究工作的进行有赖于皮层脑电图(ECoG)技术。ECoG作为癫痫手术的辅助手段,是指在大脑表面直接放置一排电极,对大脑电流的震动进行监听。
科学家解释,大脑和电脑之间的这种联系,就像不同语言的人之间的交流。脑机接口就是指利用大脑的这些频率,并将其用于复杂的计算机演算。这样,当你想象移动拇指的时候,你就能够开灯;只需在脑海中想你想写下的字,就能够在计算机屏幕上拼写;你能够在绕开脊髓的情况下操作你的四肢;你也能够靠意念操作机器臂……展望未来,脑机接口的应用前景无限。
安东尼·瑞塔齐奥博士表示,“ECoG(皮层脑电图)之所以有效,只是因为我们终于能在正确的地方聆听大脑的对话。”
未来或可重塑我们的大脑
随着科学技术的发展,人类或可以重塑我们的大脑功能。在“大脑展”中,“无线大脑”展览单元展示了一个美好愿景:未来,也许完全无需手术,就可以通过磁场刺激大脑改变你的感觉、思维及运动方式。例如,在大脑之外建立一个高速脉冲磁场,这一过程称为“经颅磁刺激”(TMS),这样能在大脑中精确选择的区域产生电子脉冲。如今,TMS是增长最快的主要的抑郁症非药物疗法,并且在很多对抑郁症药物无反应的病人身上取得了成功。未来,TMS可成为精神分裂症、躁郁症、严重创伤后遗症和强迫症的非药物疗法。同时,研究人员也在测试使用经颅磁刺激来治疗肥胖症、癖嗜以及偏头痛。
南方医科大学珠江医院神经外科张世忠教授以及在读博士卢国辉在接受本报专访时表示,在科研方面,TMS可以虚拟地使大脑某个部位去功能化,可用于研究这个部位的行为和认知功能。在临床上,由于TMS可以根据磁刺激频率的不同随意对大脑皮质进行皮质间的抑制和易化,因此对于一些神经性疼痛,癫痫、抑郁狂躁等精神疾病,以及成瘾性疾病(毒瘾)有着直接的优势。卢国辉表示,目前在AD(老年痴呆症)和PD(帕金森病)的治疗方面,TMS仍仅被应用于康复治疗阶段但收效甚佳。
将外界信息输入人脑
如果我们可以通过电脑读取大脑信息,那么是否也可以反过来,将外界信息直接传输进大脑并影响大脑思维呢?张世忠教授以及卢国辉介绍,这是完全有可能的。“我们实验室曾经做过这样的研究:反复训练一只正常的实验用恒河猴在特定的位置抓取特定的食物,并记录大脑该功能区域的脑电波,待得到一个稳定的脑电波后,将此猴脑中此功能的区域毁损,再使用微电极重新输入先前记录到的脑电波,即使并没有在原来位置摆放食物,这只猴子仍可还原抓物功能。”
但人脑远要复杂得多。卢国辉表示,若是要将大量的信息写入大脑,首先存在伦理问题,再者是大脑只有通过不断的学习记忆才能在脑内形成稳定的突触连接。“要知道,完成一项动作或意识,是成千上万的神经元互相配合的结果。”他强调说,正是有了这些重要前提,才能在大脑某个功能受损时针对这个功能区进行特定的刺激以恢复连接。虽然如此,这项技术用于疾病的治疗是非常有前景的。
如此说来,未来人类是否可以直接在大脑中输入学习记忆内容?卢国辉说,将此项技术用于“偷懒”或对他人意识进行控制可能性微乎其微。“因为每个人成长环境的不同就意味着已建立的神经网络连接存在巨大差异,而且大脑的复杂性是无法想象的,并且其发育过程也是不同的。”
张世忠教授则表示:“对大脑我们一直充满敬畏,其能力远超出我们的想象,我预感我们永远没有完全模仿或复制它的一天,只可能部分地了解或学习一部分。”
在电脑上浏览自己的梦境
在脑机接口的实验中,一组电极被置于大脑皮质的表面之上,电线将这些信号传递给电脑,电脑对其进行分析。下一步,电极也可以把信息传入大脑。未来,人类有可能绕过眼睛,也能看到电脑直接模拟视觉皮质生成的图片。大胆畅想,随着脑机接口的发展,浏览自己或他人的梦境兴许不再是难事。
现在,摄像机可以把图片直接送入大脑,比方说盲人可佩戴一副特制的墨镜,通过无线方式把图像传送给他的视网膜。工作的原理是微型摄像机被隐藏在一副墨镜里,无线传输装置把电子信号传输到大脑里的接收器,接收器把信号传给直接安置在视网膜上的60根微小电极组,这60根微小电极模拟视网膜的神经元,通过视神经把信号传给大脑。
视网膜移植目前还不普及,但被称为耳蜗植入术的设备就不同了,它能让失聪人群听到声音。人工耳蜗是由耳内部分和体外部分组成。声音由麦克风接收后转换成电信号,经过一系列变化将声音信息传入大脑,产生听觉。上述设备已被用来取代丧失功能的感官。但从理论上讲,同样的技术也可直接从电影、视频游戏或网络上把任何声音和图像传入到人脑里。